專利名稱：集成有原子層沉積工藝的化學(xué)氣相沉積方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種半導(dǎo)體制造方法，特別涉及一種集成有原子層沉積工藝的化 學(xué)氣相沉積方法。
背景技術(shù)：
納米薄膜材料被譽為“21世紀(jì)最具有前途的材料”，是近年來發(fā)展最迅速的納米技 術(shù)之一。人們對納米薄膜材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用，進行了廣泛而深入的研究。納米 薄膜材料在微電子技術(shù)、光電通訊開關(guān)、微機電系統(tǒng)、傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。此 外，在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、國防裝備、節(jié)能環(huán)保、故障診斷等許多重要領(lǐng)域都有非常廣闊的 應(yīng)用前景。薄膜材料的研究嚴(yán)重依賴于薄膜的制備手段。高質(zhì)量的薄膜材料有利于薄膜器 件物理的研究和薄膜器件應(yīng)用的發(fā)展。長期以來，人們發(fā)展了多種薄膜制備技術(shù)和方法， 如真空蒸發(fā)沉積、磁控濺射沉積、離子束濺射沉積、金屬有機物化學(xué)氣相沉積(M0CVD，Metal Organic ChemicalVapor Deposition)禾口分子束夕卜延(MBE，Molecular Beam Epitaxy)等。 上述方法各具特色，在一定的范圍內(nèi)得到大量的應(yīng)用。盡管如此，隨著人們對材料尺度進一 步減小的需求，傳統(tǒng)的薄膜材料制作方法由于其各自的局限性，已經(jīng)越來越不能滿足未來 高質(zhì)量納米級薄膜材料及器件的制造需要。MOCVD工藝是將反應(yīng)物在載氣的攜帶下送入反應(yīng)腔，控制反應(yīng)腔內(nèi)反應(yīng)物的濃度 和溫度，從而控制在襯底上生長薄膜的厚度。MOCVD工藝在生長多層薄膜異質(zhì)結(jié)材料方面顯 示出它獨特的優(yōu)越性。MOCVD設(shè)備具有設(shè)備簡單，操作方便，維護費用較低，規(guī)?；墓I(yè)生 產(chǎn)等特點，解決了高難的生長技術(shù)與低廉價格所要求的批量生產(chǎn)之間的尖銳矛盾，在各種 化合物薄膜材料的生產(chǎn)制備中具有很大的實用價值。但MOCVD技術(shù)無法精確控制納米級薄 膜的膜厚和組分。原子層沉積(ALD，Atomic Layer Deposition)工藝通過高精度的在線控 制，脈沖交替地將氣相反應(yīng)物通入反應(yīng)腔，并在襯底上化學(xué)吸附且反應(yīng)成膜。該工藝由于具 有精確的厚度控制、沉積厚度均勻性和一致性等特點，可達(dá)到在單原子層水平上完全可控。 但ALD工藝的薄膜生長速度低，無法達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的要求。因此發(fā)展一種克服ALD技術(shù) 和MOCVD技術(shù)缺點的薄膜制備方法具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利的目的是針對已有技術(shù)中存在的不足，鑒于原子層沉積方法和金屬有 機物化學(xué)氣相沉積方法各自的優(yōu)缺點，在MOCVD方法中引入ALD工藝，形成原子層金屬有機 物化學(xué)氣相外延AL-M0CVD?？朔﨧OCVD方法無法精確控制納米級膜厚及組分等缺點，同時 也擺脫ALD工藝中的生長速度低的限制。本發(fā)明專利包括一種集成有原子層沉積工藝的金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法，其 特征在于在金屬有機物化學(xué)氣相沉積工藝過程中，通過脈沖噴射的方式引入化學(xué)反應(yīng)源 氣體物質(zhì)。其中脈沖噴射的周期、脈沖噴射的時間、脈沖噴射的占空比、脈沖噴射時氣體流量根據(jù)沉積膜的厚度技術(shù)指標(biāo)設(shè)定。并且該方法至少包含一次下述循環(huán)所述循環(huán)包括下 述步驟1)化學(xué)反應(yīng)源氣體經(jīng)氣動閥13進入反應(yīng)腔對襯底進行金屬有機物化學(xué)氣相沉積 外延生長，此時載氣經(jīng)另一組常開氣動閥11與尾氣管路連接；2)切換11、12、13、14四個氣動閥的開關(guān)狀態(tài)，使氣動閥11、13由開啟變?yōu)殛P(guān)閉狀 態(tài)，氣動閥12、14由關(guān)閉變?yōu)殚_啟狀態(tài)，此時化學(xué)反應(yīng)源氣體經(jīng)氣動閥12進入尾氣管路，載 氣經(jīng)氣動閥14進入反應(yīng)腔。通過交替開啟和關(guān)閉氣動閥11、13和氣動閥12、14對襯底進 行脈沖噴射，從而進行原子層沉積生長；3)判斷是否完成沉積生長，是否要進入下一輪沉積循環(huán)。本發(fā)明的集成有原子層沉積工藝的金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法所用的設(shè)備，包 括金屬有機物化學(xué)氣相沉積設(shè)備的氣體輸送系統(tǒng)、反應(yīng)腔、尾氣處理系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)，其特 征在于載氣入口分別與原子層沉積工藝的氣動閥11及氣動閥14連接，氣動閥11的另一 端與尾氣管路連接，氣動閥14的另一端與反應(yīng)腔入口連接，源氣體入口分別與原子層沉積 工藝的氣動閥13及氣動閥12連接，氣動閥13的另一端與反應(yīng)腔入口連接，氣動閥12的另 一端與尾氣管路連接。控制系統(tǒng)分別控制氣動閥11、12、13、14的開啟與關(guān)閉，氣動閥實現(xiàn) 高頻切換響應(yīng)，氣動閥11和12共用一個氣路，氣動閥13和14共用一個輔助氣路。本發(fā)明專利的優(yōu)點是充分利用了原子層沉積技術(shù)的優(yōu)點，克服了金屬有機物化學(xué) 氣相沉積方法無法精確控制納米級膜厚及組分等缺點，同時也擺脫原子層沉積工藝中的生 長速度低的限制。使MOCVD設(shè)備具備生長超薄層結(jié)構(gòu)的能力并充分利用了 ALD工藝脈沖式 生長的優(yōu)點。利用此本發(fā)明專利所具有的原子層沉積工藝可進行納米級緩沖層、量子阱結(jié)構(gòu)的 生長，尤其是后者，其壘層和阱層的厚度以及不同結(jié)構(gòu)界面的陡峭程度直接影響著發(fā)光效 率。利用脈沖式生長可以很好的控制量子阱中壘層和阱層的厚度并且可以實現(xiàn)現(xiàn)有MOCVD 設(shè)備無法達(dá)到超陡峭薄膜界面結(jié)構(gòu)。


圖1集成原子層沉積工藝的化學(xué)氣相沉積方法外延生長流程圖；圖2集成ALD技術(shù)的化學(xué)氣相沉積設(shè)備框架示意圖；圖3集成ALD技術(shù)的脈沖式氣動閥示意圖。圖中1載氣入口、2尾氣出口、3源氣體入口、4反應(yīng)腔入口、11氣動閥、12氣動閥、 13氣動閥、14氣動閥、15 二位三通電磁閥、16 二位三通電磁閥、21出氣口、22 二位三通電磁 閥的進氣口、23 二位三通電磁閥的泄壓口。
具體實施例方式實施例一使用集成ALD和MOCVD方法進行InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)生長，參見圖1。其具體過程步驟如下通過常規(guī)MOCVD工藝進行多量子阱壘層的生長，第一步，在 加熱系統(tǒng)對反應(yīng)腔加熱時，氣動閥11通入到尾氣管路中，反應(yīng)源氣體TMIn、TMGa和NH3通 過氣動閥13通入到反應(yīng)腔中對襯底進行金屬有機物化學(xué)氣相沉積外延生長。第二步，切換11、12、13、14四個氣動閥的狀態(tài)，使氣動閥11、13由開啟變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，氣動閥12、14由關(guān) 閉變?yōu)殚_啟狀態(tài)，這時反應(yīng)源氣體TMIN、TMGa和NH3經(jīng)氣動閥12通過尾氣管路，載氣H2通 過氣動閥14通入反應(yīng)腔。通過交替開啟和關(guān)閉氣動閥11、13和氣動閥12、14對襯底進行 脈沖噴射，從而形成原子層沉積生長。生長溫度為850°C，TMIn流量為lOOsccm，TMGa流量 為7. 5sccm, NH3流量為lOOOOsccm。反應(yīng)源氣體通過閥12通入到尾氣管路中。第三步，根 據(jù)設(shè)定判斷沉積生長是否完成，未完成進入下一輪沉積循環(huán)，當(dāng)多量子阱中壘層生長即將 結(jié)束時，第二輪循環(huán)開始，其技術(shù)參數(shù)為生長時間為200秒時，切換為脈沖式噴射生長，脈 沖式生長時間30秒，其中生長溫度保持為850°C，TMIn流量增至150sCCm，TMGa流量增至 IOsccm, NH3 流量為 lOOOOsccm。第二輪循環(huán)結(jié)束，第三輪循環(huán)使用脈沖式噴射生長將生長內(nèi)容切換到多量子阱阱 層開始，其技術(shù)參數(shù)為生長溫度降低至780°C，TMIn流量為^Osccm，TMGa流量為40sCCm， NH3流量為lOOOOsccm,時間為115秒。第三輪循環(huán)結(jié)束，第四輪循環(huán)多量子阱壘層開始，其技術(shù)參數(shù)為生長溫度升高 為850°C，脈沖式生長時間30秒，TiOn流量為150sccm，TMfei流量為lOsccm，NH3流量為 lOOOOsccm。第四輪循環(huán)結(jié)束，第五輪常規(guī)MOCVD工藝生長開始，其技術(shù)參數(shù)為生長溫度為 850°C，TiOn 流量為 lOOsccm，TMGa 流量為 7. SsccnuMV1^量為 lOOOOsccm。生長時間為 200秒。通過重復(fù)上述循環(huán)過程，實現(xiàn)多層高陡峭界面的多量子阱結(jié)構(gòu)。實施例二 實施例二與實施例一相同，所不同的是使用集成ALD和MOCVD方法生長GaN基LED 外延結(jié)構(gòu)流程如下第一輪循環(huán)通過脈沖式噴射在襯底上預(yù)生長納米級厚度GaN薄膜。其技術(shù)參數(shù) 為生長溫度為1050°C，TMfei流量為50sccm，NH3流量為lOOOOsccm，脈沖式生長時間為80秒。第二輪循環(huán)通過常規(guī)MOCVD工藝進行GaN緩沖層生長。其技術(shù)參數(shù)為生長溫度 為1050°C，TMGa流量為40sccm，NH3流量為9000sccm，生長時間為30分鐘。第三輪循環(huán)通過常規(guī)MOCVD工藝進行η型GaN的生長。其技術(shù)參數(shù)為生長溫度 為1050°C, TMGa流量為40sccm, NH3流量為9000sccm, SiH4流量為lOsccm，生長時間為30 分鐘。第四輪循環(huán)利用脈沖式噴射進行InGaN量子阱結(jié)構(gòu)生長，實現(xiàn)量子阱的厚度和 組分精確控制。其中生長阱層時，其技術(shù)參數(shù)為生長溫度為780°C，TMh流量為LOsccm， TMfei流量為40SCCm，NH3流量為lOOOOsccm，脈沖式生長時間為115秒。生長壘層時，生長 溫度為850°C，TiOn流量為150sccm，TMGa流量為lOsccm，NH3流量為lOOOOsccm，脈沖式生 長時間230秒。第五輪循環(huán)通過常規(guī)MOCVD工藝進行ρ型GaN的生長。其技術(shù)參數(shù)為生長溫度 為 950°C，Cp2Mg 流量為 900sccm，TMGa 流量為 lOsccm，NH3 流量為 2000sccm，生長時間 200秒。
第五輪循環(huán)結(jié)束后在氮氣環(huán)境下進行退火，溫度為700°C，時間為20分鐘。生長完 畢后獲得有源層組分和厚度高精確控制的LED外延片。實施例三為實現(xiàn)上述實施例發(fā)明的方法，所用的集成有原子層沉積工藝的金屬有機物化學(xué) 氣相沉積設(shè)備，如圖2所示，載氣入口分別與原子層沉積工藝的氣動閥11及氣動閥14連 接，氣動閥11的另一端與尾氣管路連接，氣動閥14的另一端與反應(yīng)腔入口連接，源氣體入 口分別與原子層沉積工藝的氣動閥13及氣動閥12連接，氣動閥13的另一端與反應(yīng)腔入口 連接，氣動閥12的另一端與尾氣管路連接。通過設(shè)備控制系統(tǒng)分別控制氣動閥11、12、13、 14的開啟與關(guān)閉，氣動閥實現(xiàn)高頻切換響應(yīng)，氣動閥11和12共用一個氣路，氣動閥13和14 共用一個輔助氣路。通過控制輔助氣路氣流方向來控制氣動閥的開啟或關(guān)閉。因為11和 12，13和14分別共用一個氣路，以此來保證實現(xiàn)互鎖。由一個二位三通電磁閥15控制氣動 閥12、13，由另一個二位三通電磁閥16控制氣動閥11、14。由于由同一個二位三通電磁閥 控制，所以氣動閥12和13、11和14可以同時動作，即打開氣動閥11的同時關(guān)閉了氣動閥 14，打開氣動閥12的同時關(guān)閉了氣動閥13，從而實現(xiàn)主氣路的同步切換，進而實現(xiàn)化學(xué)反 應(yīng)源氣體和載氣分別通過交替開啟關(guān)閉的常開和常閉氣動閥脈沖式噴射到襯底生長表面。 參見圖3。
權(quán)利要求
1.一種集成有原子層沉積工藝的金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法，其特征在于在金屬 有機物化學(xué)氣相沉積工藝過程中，通過脈沖噴射流量的方式引入化學(xué)反應(yīng)源氣體物質(zhì)，該 方法至少包含一次下述循環(huán)，所述循環(huán)包括下述步驟1)化學(xué)反應(yīng)源氣體經(jīng)氣動閥進入反應(yīng)腔對襯底進行金屬有機物化學(xué)氣相沉積外延生 長，此時載氣經(jīng)另一組常開氣動閥與尾氣管路連接；2)化學(xué)反應(yīng)源氣體和載氣經(jīng)交替開啟和關(guān)閉的氣動閥對襯底進行脈沖噴射，進行原子 層沉積生長；3)判斷沉積生長是否完成，未完成進入下一輪沉積循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有原子層沉積工藝的金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法，其 特征在于脈沖噴射的周期、時間、占空比以及脈沖噴射時氣體流量根據(jù)沉積膜的厚度、元 素化學(xué)計量比值技術(shù)指標(biāo)以及多層膜之間的界面形態(tài)和結(jié)構(gòu)設(shè)定。
3.如權(quán)利要求1所述的集成有原子層沉積工藝的金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法所用 的設(shè)備，包括金屬有機物化學(xué)氣相沉積設(shè)備的氣體輸送系統(tǒng)、反應(yīng)腔、尾氣處理系統(tǒng)、加熱 系統(tǒng)，其特征在于載氣入口分別與原子層沉積工藝的氣動閥(11)及氣動閥(14)連接，氣 動閥(11)的另一端與尾氣管路連接，氣動閥(14)的另一端與反應(yīng)腔入口連接，源氣體入口 分別與原子層沉積工藝的氣動閥(13)及氣動閥(12)連接，氣動閥(13)的另一端與反應(yīng) 腔入口連接，氣動閥(1 的另一端與尾氣管路連接，控制系統(tǒng)分別控制氣動閥(11)、(12)、 (13)、(14)的開啟與關(guān)閉，氣動閥實現(xiàn)高頻切換響應(yīng)，氣動閥(11)和(12)共用一個氣路， 氣動閥(13)和(14)共用一個輔助氣路。
全文摘要
集成原子層沉積技術(shù)的金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法及設(shè)備，在金屬有機物化學(xué)氣相沉積過程中，通過脈沖噴射的方式引入化學(xué)反應(yīng)氣源，化學(xué)反應(yīng)源氣體和載氣分別通過交替開關(guān)的氣動閥，以脈沖方式噴射到襯底生長表面。至少包含一次生長循環(huán)，步驟為1.化學(xué)反應(yīng)源氣體通過氣動閥進行常規(guī)化學(xué)氣相沉積工藝；2.化學(xué)反應(yīng)源氣體和載氣經(jīng)交替開啟和關(guān)閉的氣動閥對襯底脈沖噴射，原子層沉積生長；3.判斷沉積生長是否完成，未完成進入下一輪沉積循環(huán)。本發(fā)明的優(yōu)點是克服現(xiàn)有的金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法無法精確控制納米級膜厚及組分等缺點，突破原子層沉積工藝中生長速度低的限制，實現(xiàn)現(xiàn)有金屬有機物化學(xué)氣相沉積設(shè)備無法達(dá)到超陡峭薄膜界面結(jié)構(gòu)。
文檔編號C23C16/455GK102121096SQ201010022588
公開日2011年7月13日 申請日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者朱?？? 王亮, 甘志銀 申請人:甘志銀